発酵代謝経路の改善・短縮化と高機能化技術

第1部 酵母の細胞機能・代謝調節に関する解析と発酵・醸造への応用

(2024年10月28日 10:30〜12:00)

　酵母は発酵生産環境において様々なストレス (高温、冷凍、乾燥、高浸透圧、pH、高濃度エタノールなど) に曝され、有用機能 (エタノール、炭酸ガス、味・風味成分などの生産) の発現が制限されている。したがって、発酵・醸造食品やバイオ燃料、有用物質の生産性向上・高付加価値化には、細胞には高度なストレス耐性が必要である。 　本セミナーでは、酵母に見出した新しいストレス耐性機構の解析と産業酵母の育種への応用に関する研究成果を紹介する。また、アミノ酸はタンパク質の構成成分、栄養素・エネルギー源、呈味成分としての働きを有しているだけでなく、細胞内や血漿などに遊離した形で存在し、生体内でさまざまな機能を発揮している。近年、その生理機能が注目され、アミノ酸を添加することで、機能性を付与した食品、飲料、サプリメント、医薬品、化粧品などが数多く商品化されている。本セミナーでは、酵母における新しいアミノ酸の代謝節機構の解析と酒類醸造への応用に関する研究成果を紹介する。

1. 酵母のストレス耐性機構の解析とその応用
   1. プロリン・アルギニン代謝
   2. ユビキチンシステム
   3. 転写調節因子
2. 酵母のアミノ酸代謝調節機構の解析とその応用
   1. プロリン
   2. オルニチン
   3. ロイシン
   4. イソロイシン
   5. バリン
   6. フェニルアラニン
   7. リジン
• 質疑応答

第2部 遺伝子改変・ゲノム編集による微生物育種開発

(2024年10月28日 13:00〜14:00)

　日本触媒ではアクリル酸エステルの製造原料として、石油化学由来のn-ブタノールを外部から購入している。n-ブタノールをバイオマス資源からの発酵により生産することによって、アクリル酸エステルをバイオマスベース化することを目標として、菌株の開発を行った。アセトン・ブタノール・エタノール (ABE) 発酵菌株の副生成物生成経路を、遺伝子組み換えによる遺伝子破壊によって破壊することで、n-ブタノール収率の高い菌株を作成した。さらにTarget-AID によるゲノム編集によって、遺伝子組み換え体にあたらない菌株の作成を進めた。その経過について紹介する。

1. ABE 発酵の概要
   1. ABE 発酵の歴史
   2. ABE 発酵の特徴と問題点
2. GroupII イントロンを利用した遺伝子破壊によるホモブタノール発酵菌株の育種
   1. GroupII イントロンを利用した遺伝子破壊方法
   2. アセトン生成の抑制によるホモブタノール発酵菌株の育種
3. ゲノム編集技術Target – AID を利用したn – ブタノール高収率株の作成
   1. Target – AID によるゲノム編集の仕組み
   2. Target – AID によるホモブタノール発酵菌株の育種
• 質疑応答

第3部 物質生産のための代謝経路のin silicoデザイン

(2024年10月28日 14:15〜15:45)

　持続可能な社会の実現に向けて、微生物を利用して様々な有用物質を生産する取り組みが注目されている。このようなバイオプロセスでは、原料の炭素源を細胞内の代謝の働きによって目的物質に変換させる。代謝は連続する多数の酵素反応からなるネットワーク (代謝経路) をなしており、細胞は代謝の過程で増殖に必要なエネルギーや自身の構成成分を作りだす。多くの場合、元々の代謝経路では生産性が低いため、実用化には経路を改変する必要がある。標的の反応を触媒する酵素遺伝子を導入・破壊することで、経路を拡張・遮断することができる。例えば、目的物質の収率を増やすために副産物の合成経路を遮断する改変が行われるが、このような改変は代謝経路を見て直感的に不要な反応を特定することができる。しかし、代謝反応にはATP やNADH などの補酵素が使われることが多く、これら補酵素は様々な経路に関与するため、経路全体の物質収支を考慮しながら、どのように改変すればよいのかを頭で考えて設計するのは大変である。 　今回は代謝経路の化学量論モデルを利用したシミュレーションによって、代謝の表現型を予測する方法を概説し、物質生産を目的とした代謝経路設計の応用例を紹介する。

1. 化学量論モデルを使った代謝シミュレーション
   1. 代謝フラックスと物質収支式
   2. 代謝フラックス解析の種類
   3. ゲノムスケールモデル
   4. フラックスバランス解析
2. シミュレーションに基づく代謝デザイン
   1. 増殖連動型の物質生産のための代謝デザイン
   2. 多重遺伝子破壊の効果を予測するためのアルゴリズム
3. 代謝デザインに基づく育種
   1. 大腸菌による3 ヒドロキシプロピオン酸生産
   2. 藍藻によるエタノール生産
   3. 大腸菌によるコハク酸生産
4. 展望
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第4部 GMD (ゲルマイクロドロップ) による迅速・低コストな大規模高生産変異株のスクリーニング

(2024年10月28日 16:00〜17:00)

　微生物を用いた有用物質生産の第一歩は、目的物質を生産する微生物の獲得であり、生産効率の向上が重要である。従来はスクリーニングや組換え技術が利用されてきたが、近年のDNA導入・欠失技術やゲノム編集の進化により論理育種の適用範囲が広がった。これにより、高効率な生産や新たな物質の生産が可能となったが、細胞内の複雑な生命現象の完全な理解は難しく、予測通りの結果が得られないことも多い。スクリーニングは広く利用される技術であり、マイクロプレートを用いて自動化することで数十万規模のスクリーニングが可能だが、コストが高くなる。大規模スクリーニングは目的の変異株を得る確率を高めるが、手作業では非現実的である。近年注目されているのが、ゲルマイクロドロップ (GMD) 技術である。

1. ゲルマイクロドロップ (GMD) とは
   1. 構造・作製方法
   2. スクリーニングの概要
2. GMD を用いたスクリーニングの実際
   1. タンパク質高生産変異株のスクリーニング
   2. 化合物生産に基づく酵素高生産変異株のスクリーニング
3. 今後の展開
   1. 蛍光検出方法について
   2. 汎用性と今後の展望
• 質疑応答